第二講風(fēng)力機(jī)的能量轉(zhuǎn)換過程及基本特性

第二講風(fēng)力機(jī)的能量轉(zhuǎn)換過程及基本特性第1頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一風(fēng)力機(jī)的能量轉(zhuǎn)換過程一風(fēng)力機(jī)的特性二風(fēng)力機(jī)建模與仿真三主要內(nèi)容風(fēng)輪機(jī)的結(jié)構(gòu)和能量控制四第2頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)風(fēng)輪機(jī)的基本理論一、理想風(fēng)輪機(jī)的能量利用1919年，德國物理學(xué)家貝茲首次提出貝茲法則：如果采用風(fēng)輪機(jī)，只能把不足16/27的風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。假設(shè)風(fēng)輪是理想的，且由無限多葉片組成，氣流通過風(fēng)輪時也沒有阻力。此外，假定氣流經(jīng)過整個掃風(fēng)面是均勻的，氣流通過風(fēng)輪前后的速度方向?yàn)檩S向。理想的風(fēng)輪的氣流模型如圖所示。第3頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一第4頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一第5頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一第6頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一這就是著名的貝茲理論，他說明風(fēng)輪從自然界中獲得的能量是有限的，理論上最大值為0.593，損失部分可解釋為留在尾跡中的氣流旋轉(zhuǎn)動能。第7頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一1.風(fēng)能利用系數(shù)Cp風(fēng)能利用系數(shù)定義為風(fēng)輪機(jī)的風(fēng)輪能夠從自然風(fēng)能中吸收的能量與輸入風(fēng)能之比。風(fēng)能利用系數(shù)可表示為第二節(jié)風(fēng)輪機(jī)的空氣動力特性第8頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一理想的風(fēng)能利用系數(shù)Cp的最大值是0.593，即貝茲理論的極限值。Cp值越大，表示風(fēng)輪機(jī)能夠從自然界中獲得的能量百分比越大，風(fēng)輪機(jī)的效率越高，即風(fēng)輪機(jī)對風(fēng)能的利用率也越高。對實(shí)際有用的風(fēng)輪機(jī)來說，風(fēng)能利用系數(shù)主要取決與風(fēng)輪葉片的氣動和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝水平。如高性能螺旋槳式風(fēng)力機(jī)，其Cp值一般是0.45，而阻力型風(fēng)輪機(jī)只有0.15左右。第9頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一2.葉尖速比第10頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一風(fēng)能利用系數(shù)和無因次數(shù)隨葉尖速比變化的曲線成風(fēng)輪機(jī)空氣動力特性曲線第11頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一變槳距風(fēng)力機(jī)的特性通常由一簇風(fēng)能利用系數(shù)的無因次性能曲線來表示，如圖2.2所示。風(fēng)能利用系數(shù)CP是葉尖速比λ的函數(shù)(表示為CP(λ))，也是槳葉節(jié)距角β的函數(shù)(表示為CP(β))，綜合起來可表示為CP(λ，β)。從圖中可以看到，當(dāng)槳葉節(jié)距角β逐漸增大時，CP(λ)曲線將顯著縮小。第12頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)只有在一個特定的最優(yōu)尖速比下才達(dá)到最大值，當(dāng)風(fēng)速變化時，如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仍然保持某一固定的轉(zhuǎn)速ω，那么必將偏離其最優(yōu)值，從而使Cp降低，即降低了風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用效率。所以，為了提高風(fēng)能利用效率，必須使得風(fēng)速變化時機(jī)組的轉(zhuǎn)速也隨之變化從而保持最優(yōu)尖速比第13頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一風(fēng)力機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性由葉尖速比λ、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)CT(λ，β)、風(fēng)能利用系數(shù)CP(λ，β)、風(fēng)輪捕獲功率P表示，分別為:第14頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)風(fēng)力機(jī)的建模和仿真風(fēng)力機(jī)的穩(wěn)態(tài)特性可以通過數(shù)值表得到，但是為了便于軟件模擬器的執(zhí)行，更希望得到特性的分析表達(dá)式，而不是采用數(shù)據(jù)插值法。根據(jù)文獻(xiàn)，CP(λ，β)為：式中：Cl=0.5173，C2=116，C3=0.4，C4=5，C5=21，C6=0.0068。

第15頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一當(dāng)槳矩角β恒定時，在不同的風(fēng)速下，只要控制風(fēng)力機(jī)能使其保持在最佳葉尖速比λ下運(yùn)行，從而可以確保風(fēng)力機(jī)能取得風(fēng)能利用系數(shù)CP(λ，β)，實(shí)現(xiàn)變速風(fēng)力機(jī)的最大功率捕獲[17]，同時增大槳矩角β會減少風(fēng)能利用系數(shù)CP(λ，β)，減少捕獲的能量。根據(jù)式計(jì)算可以得到當(dāng)λ=8.1時，CP(λ，β)≈0.48[16]。

第16頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一風(fēng)能利用系數(shù)CP(λ，β)模型

式中：Cl=0.5173，C2=116，C3=0.4，C4=5，C5=21，C6=0.0068。

第17頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一風(fēng)力機(jī)模型第18頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一仿真結(jié)果a)模擬變速風(fēng)速圖b)風(fēng)能利用系數(shù)曲線c)風(fēng)力機(jī)功率輸出曲線第19頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)和能量控制１．風(fēng)輪機(jī)的機(jī)構(gòu)風(fēng)輪機(jī)設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)包括風(fēng)輪機(jī)槳葉：通常采用３個或兩個槳葉。輪轂：槳葉安裝在輪轂上，輪轂與低速軸相連接。低速傳動軸：轉(zhuǎn)速通常較低，內(nèi)部的液壓傳動系統(tǒng)與輪轂內(nèi)的液壓裝置相連用于調(diào)節(jié)槳葉。齒輪箱：與低速軸和高速軸相連接高速軸：通常轉(zhuǎn)速在1500r/min左右，與發(fā)電機(jī)相連，配有剎車裝置。機(jī)械剎車裝置：用于制動，必要時用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。第20頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙內(nèi)的組成

第21頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一GEProprietary第22頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一發(fā)電機(jī)：輸出電壓一般為690V,發(fā)電功率在500~1500kW,并朝大容量方向發(fā)展。電子控制裝置：監(jiān)測風(fēng)輪機(jī)運(yùn)行狀況，并自動實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，故障時實(shí)現(xiàn)自動停機(jī)。冷卻系統(tǒng)：冷卻發(fā)電機(jī)。機(jī)塔：用于支撐風(fēng)輪機(jī)。通常高度越高，風(fēng)速越大，風(fēng)況越好，需要更高的機(jī)塔。偏轉(zhuǎn)裝置：保持風(fēng)輪機(jī)在迎風(fēng)方向。風(fēng)速風(fēng)向測量系統(tǒng)：與控制裝置相連，實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪機(jī)切入和切出的啟停控制。第23頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一機(jī)艙：機(jī)艙包容著風(fēng)電機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備，包括齒輪箱、發(fā)電機(jī)。維護(hù)人員可以通過風(fēng)電機(jī)塔進(jìn)入機(jī)艙。機(jī)艙左端是風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子，即轉(zhuǎn)子葉片及軸。轉(zhuǎn)子葉片：捉獲風(fēng)，并將風(fēng)力傳送到轉(zhuǎn)子軸心?，F(xiàn)代600千瓦風(fēng)電機(jī)上，每個轉(zhuǎn)子葉片的測量長度大約為20米，而且被設(shè)計(jì)得很象飛機(jī)的機(jī)翼。

軸心：轉(zhuǎn)子軸心附著在風(fēng)電機(jī)的低速軸上。低速軸：風(fēng)電機(jī)的低速軸將轉(zhuǎn)子軸心與齒輪箱連接在一起。在現(xiàn)代600千瓦風(fēng)電機(jī)上，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相當(dāng)慢，大約為

19至30轉(zhuǎn)每分鐘。軸中有用于液壓系統(tǒng)的導(dǎo)管，來激發(fā)空氣動力閘的運(yùn)行。風(fēng)電機(jī)結(jié)構(gòu)

大部分風(fēng)電機(jī)具有恒定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子葉片末的轉(zhuǎn)速為64米/秒，在軸心部分轉(zhuǎn)速為零。距軸心四分之一葉片長度處的轉(zhuǎn)速為16米/秒。圖中的黃色帶子比紅色帶子，被吹得更加指向風(fēng)電機(jī)的背部,這是因?yàn)槿~片末端的轉(zhuǎn)速是撞擊風(fēng)電機(jī)前部的風(fēng)速的八倍。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)為什么轉(zhuǎn)子葉片呈螺旋狀？

大型風(fēng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片通常呈螺旋狀。從轉(zhuǎn)子葉片看過去，并向葉片的根部移動，直至到轉(zhuǎn)子中心，風(fēng)從很陡的角度進(jìn)入（比地面的通常風(fēng)向陡得多）,如果葉片從特別陡的角度受到撞擊，轉(zhuǎn)子葉片將停止運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，轉(zhuǎn)子葉片需要被設(shè)計(jì)成螺旋狀，以保證葉片后面的刀口，沿地面上的風(fēng)向被推離。

第24頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一齒輪箱：齒輪箱左邊是低速軸，它可以將高速軸的轉(zhuǎn)速提高至低速軸的50倍。

高速軸及其機(jī)械閘：高速軸以1500轉(zhuǎn)每分鐘運(yùn)轉(zhuǎn)，并驅(qū)動發(fā)電機(jī)。它裝備有緊急機(jī)械閘，用于空氣動力閘失效時，或風(fēng)電機(jī)被維修時。

發(fā)電機(jī)：通常被稱為感應(yīng)電機(jī)或異步發(fā)電機(jī)。在現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)上，最大電力輸出通常為500至1500千瓦。

偏航裝置：借助電動機(jī)轉(zhuǎn)動機(jī)艙，以使轉(zhuǎn)子正對著風(fēng)。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過風(fēng)向標(biāo)來感覺風(fēng)向。圖中顯示了風(fēng)電機(jī)偏航。通常，在風(fēng)改變其方向時，風(fēng)電機(jī)一次只會偏轉(zhuǎn)幾度。

電子控制器：包含一臺不斷監(jiān)控風(fēng)電機(jī)狀態(tài)的計(jì)算機(jī)，并控制偏航裝置。為防止任何故障（即齒輪箱或發(fā)電機(jī)的過熱），該控制器可以自動停止風(fēng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，并通過電話調(diào)制解調(diào)器來呼叫風(fēng)電機(jī)操作員。

液壓系統(tǒng)：用于重置風(fēng)電機(jī)的空氣動力閘。

冷卻元件：包含一個風(fēng)扇，用于冷卻發(fā)電機(jī)。此外，它包含一個油冷卻元件，用于冷卻齒輪箱內(nèi)的油。一些風(fēng)電機(jī)具有水冷發(fā)電機(jī)。

塔：風(fēng)電機(jī)塔載有機(jī)艙及轉(zhuǎn)子。通常高的塔具有優(yōu)勢，因?yàn)殡x地面越高，風(fēng)速越大?，F(xiàn)代600千瓦風(fēng)汽輪機(jī)的塔高為40至60米。它可以為管狀的塔，也可以是桁架結(jié)構(gòu)的塔。管狀的塔對于維修人員更為安全，因?yàn)榭梢酝ㄟ^內(nèi)部的梯子到達(dá)塔頂。桁架結(jié)構(gòu)的塔則比較便宜。

風(fēng)速計(jì)及風(fēng)向標(biāo)：用于測量風(fēng)速及風(fēng)向。

風(fēng)電機(jī)發(fā)電機(jī):將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)電機(jī)上的發(fā)電機(jī)與你通?？吹降碾娋W(wǎng)上的發(fā)電設(shè)備相比有點(diǎn)不同。原因是，發(fā)電機(jī)需要在波動的機(jī)械能條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。

輸出電壓

大型風(fēng)電機(jī)（100-150千瓦）通常產(chǎn)生690V的三相交流電。然后電流通過風(fēng)電機(jī)旁的變壓器（或在塔內(nèi)），電壓被提高至一萬至三萬伏，這取決于當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。

大型制造商可以提供50赫茲風(fēng)電機(jī)類型（用于世界大部分的電網(wǎng)），或60赫茲類型（用于美國電網(wǎng)）。

冷卻系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時需要冷卻。在大部分風(fēng)電機(jī)上，發(fā)電機(jī)被放置在管內(nèi)，并使用大型風(fēng)扇來空冷；一部分制造商采用水冷。水冷發(fā)電機(jī)更加小巧，而且電效高，但這種方式需要在機(jī)艙內(nèi)設(shè)置散熱器，來消除液體冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量。

啟動及停止發(fā)電機(jī)

如果通過彈開一個普通開關(guān)將大型風(fēng)電機(jī)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)連接或解開，很可能會損毀發(fā)電機(jī)、齒輪箱及鄰近電網(wǎng)。第25頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一發(fā)電機(jī)電網(wǎng)的設(shè)計(jì)

風(fēng)電機(jī)可以使用同步或異步發(fā)電機(jī)，并直接或非直接地將發(fā)電機(jī)連接在電網(wǎng)上。直接電網(wǎng)連接指的是將發(fā)電機(jī)直接連接在交流電網(wǎng)上。非直接電網(wǎng)連接指的是，風(fēng)電機(jī)的電流通過一系列電力設(shè)備，經(jīng)調(diào)節(jié)與電網(wǎng)匹配。采用異步發(fā)電機(jī)，這個調(diào)節(jié)過程自動完成。

轉(zhuǎn)子葉片

◢轉(zhuǎn)子葉片輪廓（橫切面）——風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子葉片看起來像航行器的機(jī)翼。實(shí)際上，設(shè)計(jì)師通常將葉片最遠(yuǎn)端的部分的橫切面設(shè)計(jì)得類似于正統(tǒng)飛機(jī)的機(jī)翼。但是葉片內(nèi)端的厚輪廓，通常是專門為風(fēng)電機(jī)設(shè)計(jì)的。為轉(zhuǎn)子葉片選擇輪廓涉及很多折衷的方面，諸如可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)與延時特性。葉片的輪廓設(shè)計(jì)，即使在表面有污垢時，葉片也可以運(yùn)轉(zhuǎn)良好。

◢轉(zhuǎn)子葉片的材質(zhì)——大型風(fēng)電機(jī)上的大部分轉(zhuǎn)子葉片用玻璃纖維強(qiáng)化塑料（GRP）制造。采用碳纖維或芳族聚酰胺作為強(qiáng)化材料是另外一種選擇，但這種葉片對大型風(fēng)電機(jī)是不經(jīng)濟(jì)的。木材、環(huán)氧木材、或環(huán)氧木纖維合成物目前還沒有在轉(zhuǎn)子葉片市場出現(xiàn)，盡管目前在這一領(lǐng)域已經(jīng)有了發(fā)展。鋼及鋁合金分別存在重量及金屬疲勞等問題，他們目前只用在小型風(fēng)電機(jī)上。

風(fēng)電機(jī)齒輪箱

為什么要使用齒輪箱？

風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的能量，通過主軸、齒輪箱及高速軸傳送到發(fā)電機(jī)。

為什么要使用齒輪箱？為什么我們不能通過主軸直接驅(qū)動發(fā)電機(jī)？

如果我們使用普通發(fā)電機(jī)，并使用兩個、四個或六個電極直接連接在50赫茲交流三相電網(wǎng)上，我們將不得不使用轉(zhuǎn)速為1000至3000rpm的風(fēng)電機(jī)。對于43米轉(zhuǎn)子直徑的風(fēng)電機(jī)，這意味著轉(zhuǎn)子末端的速度比聲速的兩倍還要高。另外一種可能性是建造一個帶許多電極的交流發(fā)電機(jī)。但如果你要將發(fā)電機(jī)直接連在電網(wǎng)上，你需要使用200個電極的發(fā)電機(jī)，來獲得30轉(zhuǎn)每分鐘的轉(zhuǎn)速。另外一個問題是，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量需要與轉(zhuǎn)矩大小成比例。因此直接驅(qū)動的發(fā)電機(jī)會非常重。

使用齒輪箱，你可以將風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的較低轉(zhuǎn)速、較高轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)換為用于發(fā)電機(jī)上的較高轉(zhuǎn)速、較低轉(zhuǎn)矩。風(fēng)電機(jī)上的齒輪箱，通常在轉(zhuǎn)子及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速之間具有單一的齒輪比。對于600千瓦或750千瓦機(jī)器，齒輪比大約為1比50。

下圖顯示了用于風(fēng)電機(jī)的1.5兆瓦的齒輪箱。這個齒輪箱有些不同尋常，因?yàn)樵诟咚冱c(diǎn)的兩個發(fā)電機(jī)上安裝有法蘭。右側(cè)安裝在發(fā)電機(jī)下的橙黃色配件，是液壓驅(qū)動的緊急盤狀剎車。在背景處可以看到用于1.5MW風(fēng)電機(jī)的機(jī)艙的下半部分

第26頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一風(fēng)電機(jī)偏航裝置

◢風(fēng)電機(jī)偏航裝置用于將風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到迎風(fēng)的方向。

◢偏航誤差——當(dāng)轉(zhuǎn)子不垂直于風(fēng)向時，風(fēng)電機(jī)存在偏航誤差。偏航誤差意味著，風(fēng)中的能量只有很少一部分可以在轉(zhuǎn)子區(qū)域流動。如果只發(fā)生這種情況，偏航控制將是控制向風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子電力輸入的極佳方式。但是，轉(zhuǎn)子靠近風(fēng)源的部分受到的力比其它部分要大。一方面，這意味著轉(zhuǎn)子傾向于自動對著風(fēng)偏轉(zhuǎn)，逆風(fēng)或順風(fēng)的汽輪機(jī)都存在這種情況。另一方面，這意味著葉片在轉(zhuǎn)子每一次轉(zhuǎn)動時，都會沿著受力方向前后彎曲。存在偏航誤差的風(fēng)電機(jī)，與沿垂直于風(fēng)向偏航的風(fēng)電機(jī)相比，將承受更大的疲勞負(fù)載。◢偏航機(jī)構(gòu)——幾乎所有水平軸的風(fēng)電機(jī)都會強(qiáng)迫偏航。即，使用一個帶有電動機(jī)及齒輪箱的機(jī)構(gòu)來保持風(fēng)電機(jī)對著風(fēng)偏轉(zhuǎn)。上右圖顯示的是750千瓦風(fēng)電機(jī)上的偏航機(jī)構(gòu)。我們可以看到環(huán)繞外沿的偏航軸承，及內(nèi)部偏航馬達(dá)及偏航閘的輪子。幾乎所有逆風(fēng)設(shè)備的制造商都喜歡在不需要的情況下，停止偏航機(jī)構(gòu)。偏航機(jī)構(gòu)由電子控制器來激發(fā)。

電纜扭曲計(jì)數(shù)器

電纜用來將電流從風(fēng)電機(jī)運(yùn)載到塔下。但是當(dāng)風(fēng)電機(jī)偶然沿一個方向偏轉(zhuǎn)太長時間時，電纜將越來越扭曲。因此風(fēng)電機(jī)配備有電纜扭曲計(jì)數(shù)器，用于提醒操作員應(yīng)該將電纜解開了。類似于所有風(fēng)電機(jī)上的安全機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)具有冗余。風(fēng)電機(jī)還會配備有拉動開關(guān)，在電纜扭曲太厲害時被激發(fā)。第27頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)內(nèi)容一、葉片設(shè)計(jì)與分析葉片的設(shè)計(jì)目標(biāo)為：最大化風(fēng)能利用系數(shù)最大功率輸出限制(失速型風(fēng)機(jī))能承受極限載荷和疲勞載荷限制葉尖位移，防止葉片折斷(上風(fēng)向型風(fēng)機(jī))避免共振最小化重量和成本葉片設(shè)計(jì)包括其空氣動力學(xué)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，空氣動力學(xué)設(shè)計(jì)可使葉片滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)中的(1)和(2)點(diǎn)，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括葉片的截面幾何尺寸優(yōu)化，以及扭曲和厚度分布。葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容包括材料選擇，內(nèi)部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使葉片滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)中的(3)~(6)。葉片動力學(xué)分析葉片的防雷擊保護(hù)第28頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一2、偏航系統(tǒng)設(shè)計(jì)偏航系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)機(jī)艙，能使風(fēng)力機(jī)葉片的掃掠面與風(fēng)速垂直，最大限度地吸收風(fēng)能，同時為了防止機(jī)艙因風(fēng)向變化而搖擺，偏航系統(tǒng)安裝有制動器。第29頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一3、變槳距系統(tǒng)設(shè)計(jì)主動變槳控制是為保證風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，通過旋轉(zhuǎn)葉片角度而減小其迎角，限制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，從而最終限制發(fā)電機(jī)功率輸出。大型風(fēng)機(jī)由于葉片較大，需要單獨(dú)的電機(jī)驅(qū)動葉片轉(zhuǎn)動，但對于100kW的中型風(fēng)機(jī)，考慮用一個液壓缸同時驅(qū)動三個葉片轉(zhuǎn)動，這樣可將液壓缸放置在機(jī)艙中，通過連桿作用在輪轂中的葉片上，可減省電氣引線環(huán)和兩套控制器的成本，同時有利于保持三葉片的協(xié)調(diào)性。4、塔架設(shè)計(jì)為了讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接收到更多的風(fēng)能，將機(jī)艙裝在一定高度的塔架上。由于葉片和機(jī)艙對風(fēng)的阻力對塔架產(chǎn)生的傾覆力矩，以及非周期載荷對塔架產(chǎn)生的振動，因此塔架的設(shè)計(jì)必須考慮其機(jī)械強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。5、塔架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)第30頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一偏航機(jī)械系統(tǒng)的作用其一是與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)相互配合，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪始終處于迎風(fēng)狀態(tài)，充分利用風(fēng)能，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率；其二是提供必要的鎖緊力矩，以保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。主要作用有兩個：第31頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一偏航機(jī)械系統(tǒng)的種類風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)一般分為主動偏航系統(tǒng)和被動偏航系統(tǒng)。被動偏航指的是依靠風(fēng)力通過相關(guān)機(jī)構(gòu)完成機(jī)組風(fēng)輪對風(fēng)動作的偏航方式，常見的有尾舵（用于小微型風(fēng)力機(jī)）和舵輪（用于中小型風(fēng)機(jī)）兩種。第32頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一主動偏航指的是采用電力或液壓拖動來完成對風(fēng)動作的偏航方式，常見的有齒輪驅(qū)動和滑動兩種形式。對于并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說，通常都采用主動偏航的齒輪驅(qū)動形式。主動偏航機(jī)械系統(tǒng)組成主動偏航機(jī)械系統(tǒng)一般由偏航軸承、偏航驅(qū)動裝置、偏航制動器、偏航液壓回路、偏航計(jì)數(shù)器、紐纜保護(hù)裝置等幾個部分組成。第33頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一1000kw風(fēng)力機(jī)偏航機(jī)械系統(tǒng)德國富蘭德公司1000KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)（主動）

第34頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一主動偏航機(jī)械系統(tǒng)組成一、偏航軸承

偏航軸承的軸承內(nèi)外圈分別與機(jī)組的機(jī)艙和塔體用螺栓連接。輪齒可采用內(nèi)齒或外齒形式。外齒形式是輪齒位于偏航軸承的外圈上，加工相對來說比較簡單；內(nèi)齒形式是輪齒位于偏航軸承的內(nèi)圈上，嚙合受力效果較好，結(jié)構(gòu)緊湊。具體采用內(nèi)齒形式或外齒形式根據(jù)機(jī)組的具體結(jié)構(gòu)和總體布置進(jìn)行選擇。第35頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一主動偏航機(jī)械系統(tǒng)組成二、驅(qū)動裝置

驅(qū)動裝置一般由驅(qū)動電動機(jī)或驅(qū)動馬達(dá)、減速器、傳動齒輪、輪齒間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)等組成。驅(qū)動裝置的減速器一般可采用行星減速器或蝸輪蝸桿與行星減速器串聯(lián)；傳動齒輪一般采用漸開線圓柱齒輪。第36頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一主動偏航機(jī)械系統(tǒng)組成三、偏航制動器偏航制動器一般采用液壓拖動的鉗盤式制動器，由制動鉗和制動盤組成。在機(jī)組偏航過程中，制動器提供的阻尼力矩應(yīng)保持平穩(wěn)。制動器可以采用常閉式和常開式兩種結(jié)構(gòu)形式，常閉式制動器是在有動力的條件下處于松開狀態(tài)，常開式制動器則是處于鎖緊狀態(tài)。兩種形式相比較并考慮失效保護(hù)，一般采用常閉式制動器。第37頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一低于額定風(fēng)速時,利用變速恒頻技術(shù)對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制,使風(fēng)能利用系數(shù)為最大值,充分地利用風(fēng)能；高于額定風(fēng)速時,利用變槳距機(jī)構(gòu)對槳葉的節(jié)距角進(jìn)行控制,使輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近。

風(fēng)力機(jī)空氣動力特性出發(fā),提出了變速恒頻風(fēng)力機(jī)在低于額定風(fēng)速和高于額定風(fēng)速階段的變槳距控制策略：變槳系統(tǒng)

第38頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一

液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)：優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)頻率快、扭矩大、便于集中布置和集成化應(yīng)用：適合于大型風(fēng)力機(jī)的場合電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、能對槳葉進(jìn)行單獨(dú)控制

常用的變槳距機(jī)構(gòu)：第39頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一變槳距控制電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)每個槳葉采用一個伺服電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)。伺服電機(jī)通過主動齒輪與槳葉輪轂內(nèi)齒圈相連,直接對槳葉的節(jié)距角進(jìn)行控制。由于大功率風(fēng)力機(jī)的槳葉很長,而風(fēng)速一般隨著高度的增加而增加,在整個風(fēng)輪掃及面積上的風(fēng)速不是平均的,因此對單一槳葉控制是有利于最大限度利用風(fēng)能,減小振動。如圖所示第40頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一

葉片長度從1980年的4.5m發(fā)展到今天的60余米，容量從當(dāng)初的55kW發(fā)展到今天的2MW以上。其結(jié)構(gòu)形式經(jīng)歷了如下發(fā)展過程：

鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片鋁合金等弦長擠壓成型葉片玻璃鋼葉片玻璃鋼復(fù)合葉片碳纖維(CF)復(fù)合葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)第41頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一1、基于空氣動力學(xué)的外殼造型設(shè)計(jì)確定其截面幾何尺寸、扭曲、厚度分布，以滿足最大風(fēng)能利用系數(shù)、最大功率輸出限制等要求。第42頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一2、基于材料性能、加工特性和成本控制的材料選擇

20世紀(jì)70年代的風(fēng)力機(jī)葉片主要由鋼材、鋁材或木材制成。由于玻璃鋼的比強(qiáng)度和比模量、耐久性、耐氣候性和耐腐蝕性都非常突出，足以用作戶外的結(jié)構(gòu)材料，所以目前80%選材為玻璃鋼復(fù)合材料，以E-玻纖增強(qiáng)塑料(GFRP)居多。目前碳纖維復(fù)合材料(CFRP)也已開始采用，但價格昂貴。第43頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一3、基于強(qiáng)度、剛度和振動理論的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

確定內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式及尺寸，以滿足極限狀態(tài)和疲勞過程的承載能力、葉尖位移限制、防共振、輕量化及成本控制等要求。

第44頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一第45頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一（二）選型設(shè)計(jì)內(nèi)容

1、葉片類型選擇2、基于系統(tǒng)工作要求的主要性能參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算（材料、長度、直徑、掃風(fēng)面積……）3、規(guī)格型號、生產(chǎn)廠家選擇

目前國內(nèi)已上馬葉片生產(chǎn)企業(yè)超過50家第46頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一

目前葉片主要是玻璃鋼復(fù)合葉片，大多采用截面逐漸變小的型鋼縱梁、夾層玻璃鋼肋梁、葉根與輪轂連接用圓形金屬結(jié)構(gòu)，表面纏繞玻璃纖維并涂樹脂，普遍采用的是玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂、玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂和碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂。目前葉片類型第47頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一第48頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一風(fēng)輪機(jī)的設(shè)計(jì)思想是盡可能便宜的產(chǎn)生電能。風(fēng)輪機(jī)的設(shè)計(jì)是基于目標(biāo)風(fēng)場的風(fēng)速條件，因此風(fēng)輪機(jī)一般被設(shè)計(jì)成在風(fēng)速為8~15m/s時具有最佳的性能，即有最大的電能產(chǎn)出。而不是花費(fèi)心思把風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)在強(qiáng)風(fēng)是有最多電能產(chǎn)出，因?yàn)閺?qiáng)風(fēng)天氣不多見。因此在強(qiáng)風(fēng)天氣時必須浪費(fèi)多余風(fēng)能，以免破壞風(fēng)機(jī)。所以風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)有能量控制裝置，安全控制方式有如下幾種。風(fēng)力機(jī)的能量控制第49頁，共55頁，2023年，2月20日，星期一(1)被動失速控制風(fēng)輪機(jī)被動失速控制風(fēng)輪機(jī)的槳葉被